基于PMT模塊的供電電路及信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張曼曼 楊寧 王旭柱

摘 要：本文介紹的是基于光電倍增管（PMT）模塊的供電電路及信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)，用于浮游植物粒徑檢測(cè)系統(tǒng)中微弱熒光信號(hào)的檢測(cè)。設(shè)計(jì)的供電電路將開(kāi)關(guān)電源輸出的12V電壓轉(zhuǎn)換為低噪聲、低紋波、穩(wěn)定性好的±5V的電壓供光電倍增管模塊及其信號(hào)調(diào)理電路使用，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)電源多種應(yīng)用的目的，并為PMT模塊的輸出信號(hào)設(shè)計(jì)了信號(hào)調(diào)理電路，減小了光電檢測(cè)電路的噪聲，提高了檢測(cè)精度。

關(guān)鍵詞：電源電路；低噪聲；光電檢測(cè)；信號(hào)調(diào)理

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

在微弱光信號(hào)的檢測(cè)中，利用光電倍增管（PMT）檢測(cè)微弱信號(hào)仍然是一種主要方式。為此本文設(shè)計(jì)了一種基于光電倍增管（PMT）模塊H10723-20的供電電路和信號(hào)調(diào)理電路，用于浮游植物粒徑檢測(cè)系統(tǒng)中微弱熒光信號(hào)的檢測(cè)。由于需要檢測(cè)的熒光信號(hào)比較微弱，背景噪聲將對(duì)檢測(cè)結(jié)果的精度和穩(wěn)定性產(chǎn)生很大的影響，因此所設(shè)計(jì)的電路應(yīng)必須具有較小的噪聲和紋波。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

PMT模塊H10723-20使用±5V的直流電壓作為輸入，為減小電源噪聲，本文選擇由輸出為12V的開(kāi)關(guān)電源通過(guò)DC-DC電壓轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換而來(lái)的±5V電壓作為PMT模塊的輸入電壓。為方便后續(xù)電路對(duì)由H10723-20轉(zhuǎn)化而來(lái)的電信號(hào)的傳輸和處理，本文設(shè)計(jì)了信號(hào)調(diào)理電路來(lái)調(diào)理、放大PMT模塊的輸出電壓。由于檢測(cè)到的光信號(hào)強(qiáng)度不同，為更加靈活的檢測(cè)到光信號(hào)并防止強(qiáng)光對(duì)光電倍增管模塊的損壞，本文為PMT模塊設(shè)計(jì)了靈敏度調(diào)節(jié)電路，應(yīng)對(duì)不同光強(qiáng)的光信號(hào)的檢測(cè)。

電路主要由以下幾部分組成：開(kāi)關(guān)電源、DC-DC電壓轉(zhuǎn)換芯片、芯片外圍電路、PMT模塊、PMT靈敏度調(diào)節(jié)電路、信號(hào)調(diào)理電路，其總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。圖1中開(kāi)關(guān)電源用來(lái)提供12V的電源電壓；DC-DC電壓轉(zhuǎn)換芯片將開(kāi)關(guān)電源提供的12V電壓轉(zhuǎn)換為±5V的電壓供H10723-20使用，芯片外圍電路用來(lái)降低±5V電壓的噪聲和紋波，提高輸出電壓的穩(wěn)定性；靈敏度調(diào)節(jié)電路用來(lái)控制PMT模塊的靈敏度；信號(hào)調(diào)理電路用來(lái)調(diào)理、放大PMT模塊輸出的電信號(hào)。

2 電源電路設(shè)計(jì)

2.1 DC-DC電壓轉(zhuǎn)換芯片的選擇

經(jīng)過(guò)各種DC-DC電壓轉(zhuǎn)換芯片的比較分析，本文最終選擇MURATA公司的NMA1205DC芯片作為DC-DC電壓轉(zhuǎn)換器。該芯片標(biāo)準(zhǔn)輸入電壓為12V；輸出為雙路輸出±5V，輸出電流為±100mA。

該芯片內(nèi)具有短路保護(hù)和熱保護(hù)電路，且輸入和輸出相隔離，消除了直流路徑，減小了開(kāi)關(guān)噪聲，使芯片具有較高的可靠性。芯片通過(guò)內(nèi)部濾波電路平滑、濾波得到穩(wěn)定的±5V大小的輸出電壓，使輸出電壓的紋波和噪聲小于20mV。

2.2 芯片外圍電路介紹

為更進(jìn)一步減小輸出電壓的噪聲，本文采用圖2所示的芯片外圍電路對(duì)芯片輸入、輸出電壓進(jìn)行調(diào)理，有效降低輸出電壓紋波和噪聲。

圖2中DC-DC電壓轉(zhuǎn)換芯片NMA1205DC的輸入端加入電容的主要目的是為了降低來(lái)自上一級(jí)的紋波和噪聲，較大的電容會(huì)使系統(tǒng)工作更加穩(wěn)定，但考慮到PCB面積的損耗、其他器件的正常工作情況以及對(duì)應(yīng)用系統(tǒng)中其余電路的干擾，本文的輸入電容選用阻抗小的鋁聚合物電解電容?？紤]到輸出電壓噪聲、轉(zhuǎn)換器頻率、輸出電壓紋波等因素，芯片輸出端采用LC濾波電路平滑輸出電壓，減小輸出電壓紋波和噪聲。由于大的電感可以降低輸出電流和輸出電壓紋波且增大芯片的帶負(fù)載能力，但卻會(huì)耗費(fèi)過(guò)多的PCB面積，綜合考慮電路噪聲、電壓紋波、電感的尺寸、PCB面積等因素，本文選擇22μH電感，電容C25、C26選擇鋁聚合物電解電容，C20、C22選擇陶瓷電容，

3 PMT靈敏度調(diào)節(jié)電路

本文通過(guò)高精度旋轉(zhuǎn)式電位器的滑動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)PMT靈敏度的調(diào)節(jié)，具體原理為通過(guò)滑動(dòng)電位器改變電阻值進(jìn)而改變PMT模塊H10723-20引腳Vcont IN和Vref OUT之間的電壓值，不同的電壓值決定了不同的靈敏度，從而實(shí)現(xiàn)了PMT的靈敏度的調(diào)節(jié)。為防止電位器在調(diào)節(jié)時(shí)滑至兩端，出現(xiàn)短路的情況，在電位器兩邊分別加入電阻，以保護(hù)H10723-20模塊，避免因短路導(dǎo)致PMT損壞。電路原理如圖3所示。

4 信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

為滿足后續(xù)電路對(duì)電壓信號(hào)的要求，本文利用集成運(yùn)算放大器AD823AN設(shè)計(jì)了放大電路來(lái)放大PMT模塊的輸出電壓，電路原理圖如圖4所示。

放大電路輸入級(jí)為放大級(jí)，主要用來(lái)放大PMT模塊輸出的電壓信號(hào)，并利用電容和電阻構(gòu)成有源低通濾波器，濾除高頻噪聲，提高電路性能。輸出級(jí)為電壓跟隨器，輸出電壓近似輸入電壓幅值，并對(duì)前級(jí)電路呈高阻狀態(tài)，對(duì)后級(jí)電路呈低阻狀態(tài)，使前、后級(jí)電路之間的相互影響很小，因而對(duì)前后級(jí)電路起到緩沖、隔離作用，并且具有很好的帶負(fù)載能力。

5 結(jié)果分析

將本文設(shè)計(jì)的電路用在浮游植物粒徑檢測(cè)系統(tǒng)中，用來(lái)檢測(cè)由波長(zhǎng)445nm的激光激發(fā)產(chǎn)生的熒光光信號(hào)，系統(tǒng)設(shè)定波形經(jīng)過(guò)10點(diǎn)移動(dòng)平滑。所得熒光信號(hào)的波形如圖5所示，整體波形具有較小的紋波和噪聲，具有較高的信噪比，波形兩邊有較小的浮動(dòng)是由于浮游植物粒徑檢測(cè)系統(tǒng)中波長(zhǎng)為532nm的激光激發(fā)產(chǎn)生的少量熒光信號(hào)造成的，與本文所設(shè)計(jì)的電路無(wú)關(guān)，且不影響粒徑的正確計(jì)算，本文的設(shè)計(jì)完全可以滿足浮游植物粒徑檢測(cè)實(shí)驗(yàn)的要求，具有良好的效果。

結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的電路應(yīng)用在浮游植物粒徑檢測(cè)系統(tǒng)中，為該系統(tǒng)中的光電檢測(cè)模塊提供電源，并且對(duì)光電檢測(cè)模塊輸出的信號(hào)進(jìn)行調(diào)理和放大，有效地減小了電路噪聲和紋波，得到了較好的熒光信號(hào)波形，有效的保證了檢測(cè)結(jié)果的精度和整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

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